本发明涉及低频、规则小尺寸水声发射换能器技术，尤其涉及一种低频镶拼椭圆环换能器，用其具有低频、较大功率、规则小尺寸等特点，可应用于小目标平台搭载、远程水声通信与探测、航空吊放声纳等领域。
背景技术：
近年来，随着水下无人浅器的快速发展，其在各领域中的应用越来越广。由于无人潜器的储能和空间均十分有限，因此对其搭载的各类有效载荷在重量尺寸、功耗效率、以及系统集成技术方面提出了极高的要求，而传统的高性能水下感知设备，如远程通信声纳和主动探测声纳往往体积比较庞大，且功耗较高，无法适装于该类无人平台。因此，针对无人潜水器的研究与开发不仅包括潜水器平台本身，其搭载的有效设备载荷也是至关重要的组成部分。而应用主动探测的水下小目标平台的搭载能力非常有限，使得无法搭载较低频率的大体积主动探测系统，也在一定程度上限制了其作用距离。
水声换能器及基阵是水声装备的核心部件，是声纳系统的最前端，水声换能器及基阵技术对水声装备的功能实现、性能提升乃至更新发展具有举足轻重的作用。
迄今为止，潜艇上依然缺少可以与飞机直接作战的武器，故反潜飞机是打击潜艇的有效武器之一。其主要应用的为吊放声纳，吊放声纳多采用主动的工作方式，对其体积与重量有着严格的要求。如何使换能器具有小尺寸、低频特性，是其能够进行远程探测应用的关键。当代隐身潜艇艇体表面都敷设了能吸声、隔振、抑振的消声瓦，能够有效地降低潜艇的中高频目标强度和自噪声，但目前潜艇消声瓦对1khz以下的声信号吸声能力较差，这就为利用低频主动声纳探测潜艇带来了希望。
西方国家在吊放声纳及浮标中广泛运用了圆环换能器这一结构，圆环换能器具有结构规则、效率较高的特点，但圆环换能器是典型的中频带换能器，如设计成较低频率工作，其体积与重量都会很大。目前，在所有低频大功率换能器类型中，iv型弯张换能器具有结构尺寸小、重量轻、大功率的特点。但iv型弯张换能器外结构为椭圆结构，中间又具有一驱动长梁，使其结构规则性不好，也在一定程度上限制了应用。所以如何研制适用于各种小目标平台搭载的低频、大功率、规则尺寸、小体积换能器是其广泛应用的关键。
针对上述圆环换能器及其iv型弯张换能器在实现低频和小尺寸性能上遇到的困难和限制，本专利提出了一种分段驱动的镶拼椭圆环换能器，可以利用椭圆环不同分段位置驱动相位不同，而激励出椭圆环较低频率的一阶弯曲振动模态，实现在规则小尺寸下的低频声辐射特性，解决换能器实现低频、规则小尺寸的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决换能器实现低频、规则小尺寸的的问题，综合了圆环换能器和iv型弯张换能器的一些特点，提供一种低频镶拼椭圆环换能器。
本发明的目的是这样实现的：包括由镶拼椭圆环、设置在镶拼椭圆环上方的上盖板、设置在镶拼椭圆环下方的下盖板组成的椭圆形结构，在镶拼椭圆环与上盖板之间、镶拼椭圆环与下盖板之间均设置有去耦垫，所述镶拼椭圆环外表面设置有环氧玻璃丝层，环氧玻璃丝层外设置有橡胶层，且上盖板、下盖板与橡胶层接触处分别设置有水密槽，所述上盖上设置有电连接孔，电连接孔内设置有水密电缆头。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述镶拼椭圆环由四个金属长条、两个长陶瓷椭圆弧、两个短陶瓷椭圆弧粘接而成，两个长陶瓷椭圆弧分别位于第一金属长条与第二金属长条之间、第三金属长条与第四金属长条之间，两个短陶瓷椭圆弧分别位于第一金属长条与第四金属条之间、第二金属长条与第三金属长条之间。
2.长陶瓷椭圆弧、短陶瓷椭圆弧均由楔形陶瓷条和铜电极在椭圆周方向拼接而成，且楔形陶瓷条和铜电极接触面使用环氧树脂胶粘接，相邻楔形陶瓷条的极化方向相反，由铜电极引出电连接，采用电并联连接方式。
3.与每个金属长条相邻的长陶瓷椭圆弧或短陶瓷椭圆弧的楔形陶瓷条极化方向相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明克服了圆环换能器一般只应用径向振动的特性，使其工作频率较高的问题。借鉴iv型弯张换能器壳体呼吸振动模态具有低频辐射的特性，采用多段镶拼陶瓷椭圆弧与金属条拼成椭圆环的结构，构成椭圆环换能器。通过多组驱动堆的驱动相位不同，以激励出椭圆环的一阶弯曲振动模态，利用椭圆环一阶弯曲振动模态具有更低的谐振频率的特性，而使椭圆环换能器实现低频声辐射。也克服了iv型弯张换能器中间部分具有较大体积长梁驱动堆的结构不规则性。同时椭圆环换能器具有长短轴比越小，一阶弯曲振动频率越低的特点，可以在损失一定辐射效率下，实现较规则尺寸下的低频声发射性能。本专利水声换能器兼具圆环换能器结构规则性与iv型弯张换能器工作频率低的特点，可单独或者组阵应用于搭载各种小平台的主动探测声纳、水声通信网和航空吊放声纳等领域。
附图说明
图1是本发明换能器结构示意图；
图2是本发明换能器结构的剖面示意图；
图3是本发明椭圆环结构示意图；
图4是本发明长镶拼椭圆弧结构与电连接示意图；
图5是本发明的短镶拼椭圆弧结构与电连接示意图。
附图标识：1镶拼椭圆环、2长镶拼陶瓷椭圆弧、3短镶拼陶瓷椭圆弧、4金属长条、5环氧玻璃丝层、6去耦垫、7上盖板、8下盖板、9水密槽、10橡胶层、11水密电缆头、12电连接孔。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，本发明的低频镶拼椭圆环换能器，主要包括镶拼椭圆环1、两个去耦垫6、上盖板7、下盖板8、橡胶层10、水密电缆头11。镶拼椭圆环1由两个长镶拼陶瓷椭圆弧2、两个短镶拼陶瓷椭圆弧3和四个金属长条4沿椭圆环向间隔排布而成，并外表面用环氧玻璃丝层5施加预应力。镶拼椭圆环1结构上下端面与去耦垫6连接，并去耦垫上下表面与上盖板7和下盖板8接触连接，构成封闭的椭圆体结构，上下盖板侧面环向带有水密槽结构9，椭圆体结构环向外表面用透声聚氨酯橡胶10灌封硫化，实现椭圆环换能器的整体水密特性。上盖板7上有与水密电缆头11配合连接的电连接孔12，电缆头通过导线与陶瓷椭圆弧进行电并联连接。
如图3和4所示，本发明的镶拼椭圆环，其特征在于：两个长镶拼陶瓷椭圆弧2、两个短镶拼陶瓷椭圆弧3和四个金属长条4沿椭圆环向间隔排布，能够拼成一完整椭圆环结构，为了整体镶拼成椭圆，在椭圆的不同位置楔形条结构尺寸会有不同，相邻接触面能够完全贴合，用环氧树脂胶粘接，保证足够的强度及其结构整体性。
如图3所示，本发明的镶拼椭圆环，其特征在于：在镶拼陶瓷椭圆环环向外侧，缠绕粘有环氧树脂胶的玻璃丝层5，其具有足够的厚度和拉伸强度，以对镶拼陶瓷椭圆环施加足够的预应力，实现大功率的工作，保证动态振动强度。
如图4所示，本发明的镶拼陶瓷椭圆弧，其特征在于：分别由偶数片楔形压电陶瓷条拼接成一椭圆弧，陶瓷条等宽度，楔形陶瓷条厚度方向极化，沿椭圆线内环环向均匀排布，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，且相邻两陶瓷条之间设置铜电极片，由铜电极引出电连接，采用并联连接方式。
如图3和4所示，本发明的镶拼陶瓷椭圆环，其特征在于：与金属长条4相邻长短镶拼陶瓷椭圆弧(2和3)的楔形条极化方向相同，通过整体电并联连接方式，正负电极与水密电缆头11连接，实现长短镶拼陶瓷椭圆弧堆的反相振动特性，以激励出椭圆环的一阶弯曲振动模态，并使短轴具有较大的振动位移。
如图2所示，本发明的低频镶拼椭圆环换能器，其特征在于：镶拼椭圆环1、去耦垫6上盖板7、下盖板8外结构尺寸相同，可以在高度上形成密闭椭圆体，并与橡胶层10内表面充分接触。
金属长条4是由高强度的45#钢或者钛合金金属材料加工而成，结构为楔形，其在镶拼陶瓷椭圆环的位置应该为椭圆环的一阶弯曲振动模态的节点位置，节点两侧的长短镶拼陶瓷椭圆弧堆振动反向，由其保证振动时整体结构的应力强度；
上盖板7和下盖板8是由铝合金(或者钛合金)金属材料加工而成，其外结构轮廓线为椭圆，上下盖板外结构尺寸相同，在侧面设有一道或者多道水密灌封槽9，并上盖板处开有电连接孔12，用于安装电连接的水密电缆头11，并通过o型圈保证水密；
去耦垫6是由软木橡胶制作而成，其外结构轮廓线为椭圆，上下表面平整光滑，与镶拼椭圆环上下端面及盖板表面足够接触，在高度方向上实现去耦作用；
橡胶层10是由ja-2s型聚氨酯橡胶灌封硫化而成，其透声性能、耐水性与绝缘性能良好，具有一定硬度，抗磨擦和抗一定的冲击力；
本发明的换能器在水中工作时，对电并联连接的陶瓷椭圆弧(2和3)施加交变电场，在交变电场的激励下陶瓷圆弧产生沿椭圆环向的往复振动，激励出整体椭圆环的一阶弯曲振动模态，在椭圆环的短轴处具有较大的往复振动位移，实现低频的声辐射。
本发明的目的是这样实现的，低频镶拼椭圆环换能器包括长镶拼陶瓷椭圆弧、短镶拼陶瓷椭圆弧、金属长条、环氧玻璃丝层，去耦垫、上下盖板、橡胶层、水密电缆头。其两个长陶瓷椭圆弧、两个短陶瓷椭圆弧与四个金属长条，沿椭圆环向间隔拼镶成一椭圆环结构，镶拼的椭圆环结构外表面设有环氧玻璃丝层。镶拼椭圆环结构上下端面与去耦垫连接，并去耦垫上下表面与上下盖板紧密接触，构成封闭的椭圆体，整体椭圆环外表面用透声聚氨酯橡胶灌封硫化，实现水密特性。上盖板设置有电连接孔，电连接孔上设置有水密电缆头。本发明的内外表面轮廓都为椭圆体，具有结构的规则性和适用性。
所述的镶拼椭圆环结构由两个长镶拼陶瓷椭圆弧、两个短镶拼陶瓷椭圆弧与四个金属长条，沿椭圆环向间隔拼镶成一椭圆环结构，长、短镶拼陶瓷椭圆弧与金属长条相互接触面位置紧密接触，其相互接触面位置用环氧树脂胶粘接，构成整体的椭圆环结构，椭圆环结构外表面缠绕粘有环氧树脂胶的玻璃丝，对其整体施加足够预应力。
所述的镶拼椭圆环结构的长、短镶拼陶瓷椭圆弧：分别由偶数片楔形压电陶瓷条拼接成一椭圆弧，楔形陶瓷条厚度方向极化，沿椭圆线环向均匀排布，陶瓷条等宽度，每相邻的两片压电陶瓷条极化方向相反，且相邻两陶瓷条之间设置铜电极片，由铜电极引出电连接，采用并联连接方式。为了整体镶拼成椭圆，在椭圆的不同位置楔形条结构尺寸会有不同。也即长短镶拼陶瓷椭圆弧由楔形陶瓷条和铜电极在椭圆周方向拼接而成，接触面使用环氧树脂胶粘接，相邻楔形条极化方向相反，采用电并联连接方式。
所述的镶拼椭圆环结构中，与金属长条相邻长短镶拼陶瓷椭圆弧的楔形条极化方向相同，通过整体电并联连接方式，实现长短镶拼陶瓷椭圆弧堆的反相振动特性，以激励出整体的一阶弯曲振动模态，使短轴位置具有较大的振动位移，并金属长条处于一阶弯曲振动模态的节点位置。
上下盖板采用侧面带有密封槽结构的椭圆板，在进行聚氨酯橡胶灌封硫化时，使其椭圆环结构能够完全处于橡胶层以里，并高度方向有上下盖板结构，实现椭圆环换能器的整体水密特性。也即上下盖板带有水密灌封槽，使其使用聚氨酯橡胶进行硫化时，可以实现在高度与环向完全水密的目的。
综上，本发明提供一种低频镶拼椭圆环换能器，包括镶拼椭圆环、去耦垫、上下盖板、橡胶层、水密电缆头。其镶拼椭圆环结构包括长镶拼陶瓷椭圆弧、短镶拼陶瓷椭圆弧、金属长条及环氧玻璃丝层。两个长镶拼陶瓷椭圆弧、两个短镶拼陶瓷椭圆弧与四个金属长条，沿椭圆环向间隔拼镶成一椭圆环结构，其相互接触面位置紧密接触，并用环氧树脂胶粘接，椭圆环结构外表面缠绕粘有环氧树脂胶的玻璃丝施加预应力。其长短镶拼陶瓷椭圆弧由楔形陶瓷条和铜电极在椭圆周方向拼接而成，接触面用环氧树脂胶粘接，相邻陶瓷楔形条极化方向相反，采用电并联连接方式，并与金属长条相邻长短镶拼陶瓷椭圆弧的楔形条极化方向相同。镶拼椭圆环结构上下端面与去耦垫连接，并去耦垫上下表面与上下盖板紧密接触，构成封闭的椭圆体，椭圆体环向外表面用透声聚氨酯橡胶灌封硫化，实现水密特性。上盖板设置有电连接孔，电连接孔上设置有水密电缆头。
本发明采用多段镶拼陶瓷椭圆弧与金属条拼成椭圆环的结构，构成椭圆环换能器，通过多组驱动堆的驱动相位不同，以激励出椭圆环的一阶弯曲振动模态，利用椭圆环一阶弯曲振动模态具有更低的谐振频率的特性，而使椭圆环换能器实现低频声辐射。同时椭圆环换能器具有长短轴比越小，一阶弯曲振动频率越低的特点，可以在损失一定辐射效率下，实现较规则尺寸下的低频声发射性能。